高密度電法在堤防空洞探測中的實踐（水利）
高密度電法在堤防空洞探測中的實踐（水利）
劉華強1 夏祥林1 張心衡2
（1．江蘇省水利科學研究院，江蘇揚州 225002：2．灌南縣水利局，江蘇連云港 222500）
【摘 要】 本文介紹了高密度電法的原理、應用研究進展并嘗試將其應用于淮沭河大堤堤防空洞探測，結合后續(xù)的淮河治理國家重點工程中對堤防加固處理的施工過程監(jiān)控，驗證探測試驗的結果，指出了該方法的可行性和有效性，同時作為物探方法的一種，其局限性不應忽視。
【關鍵詞】 高密度；電法；物探；堤防空洞
中圖分類號：TV871 文章編號：1005-4774( 2016) 05-0041-04
高密度電法的概念最早于20世紀80年代初期由英國學者率先提出，80年代中期日本通過電極轉換板實現(xiàn)了高密度電阻率法數(shù)據自動快速采集，隨著電子工業(yè)及計算機技術的發(fā)展，淺層高密度地電儀的研究成果取得了飛速的發(fā)展。80年代后期中國的地礦部、中國地質大學等單位率先開展了相關科研工作。對采集數(shù)據的反演處理研究已經開始由二維向三維轉變，高密度電法作為常規(guī)電法的變種，集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點進行二維地電測量，提供的數(shù)據量大、信息多，快速高效且場地適用性強，被廣泛應用于工程地質和水文地質勘查、葬墓考古、煤礦采空區(qū)探查。此外，也進行了地下管道探測、垃圾填埋場滲漏監(jiān)控等諸多領域的應用研究。
1 高密度電法的基本原理
高密度電法的基本原理與傳統(tǒng)電法相同，它是以巖土體的導電性差異為基礎，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流分布規(guī)律，解決水文、環(huán)境與工程地質問題。高密度電法的正演問題就是傳導類電阻率法的正演問題，也就是求解穩(wěn)恒點電源電流場的邊值問題。在已知電阻率p分布的求解區(qū)域中建立相應的微分方程和邊界條件，確立未知的電位函數(shù)u0（x，y，z）及其變換函數(shù)u(x，
，z)，使其在已知電介質區(qū)域內滿足相應的微分方程和邊值條件。對于點源分布域內均勻介質，它們滿足泊松方程或亥姆霍茲方程：
程描述的物理過程諸因素有關的場函數(shù)。一般來說，在復雜的地電結構分布中，采用數(shù)值模擬方法，如邊界單元法、有限單元法等。
高密度電法的野外工作，是將全部電極按一定等間距沿測線一次性布設完畢，然后通過多芯專用電纜將電極連接到多路電極轉換器上，測量訊號由電極轉換開關送入多功能直流電測儀。處理時通過電測儀與微機通訊，將采集的數(shù)據回放到微機中，進而實施對原始數(shù)據的各種處理，并將結果用圖件直觀清晰地表示出來。高密度電法的裝置選擇是一個關鍵環(huán)節(jié)，裝置的選擇直接關系到對探測目標的地電反應及數(shù)據解釋。目前，電極排列測量裝置多達十幾種，勘探系統(tǒng)如圖1所示。
2高密度電法的應用
2.1工程地質概況
分淮入沂是淮河下游防洪體系的重要組成部分，是洪澤湖水出路之一，也是國務院確定的進一步治理淮河重點項目。淮沭河地處淮河下游沖積平原，經黃河九次南遷奪淮人海，大量泥沙不斷使河床抬高，黃泛過程的“急沙漫淤”導致土壤“高沙低黏”的分布規(guī)律。工程建設時，就近取土筑堤，存在先天不足，土質松散的問題，“濕則板，水則淌，干則飛”。非汛期灌溉送水，水位僅9.5~ 10m，河坡多處滲水，局部塌陷。此外，分淮入沂堤防施工過程中未碾壓或碾壓不充分，存在施工界溝，甚至凍土直接上堤，使堤身內部架空。2000年8月28日暴雨過后，西堤堤頂出現(xiàn)27處縱向裂縫，其中10 +570處裂縫長30m，寬2cm。2003年災后重建應急工程機械垂直鋪膜實施工程中，淮沭河西堤3km范圍內就發(fā)現(xiàn)空洞900多個，平均3~50m左右1個，直徑20~ 40cm，而東堤在98年汛期檢查時就曾發(fā)現(xiàn)多處塌陷坑，最大直徑1.2m，深達1.6m。
此外生物洞穴或植物根莖腐爛也會形成孔洞。為了切實摸清淮沭河大堤堤防的安全隱患，尋找一種切實有效的探查方法，在堤防加固工程開工前對分淮入沂工程兩岸堤防進行地質隱患探測試驗。根據現(xiàn)場查勘狀況，選取了第六工程地質段進行探測試驗分析，具體為西堤43 +500~ 44 +000和東堤48 +120~ 47+640里程范圍。該段堤基廣泛分布②層砂性土，厚度多在3~4m，并廣泛分布④：層淤泥質黏性土。
2.2探測結果分析
東堤和西堤分別選擇4道測線進行測試，每道測線都使用60個電極的Wenner和Schlumberger跑極方式采集數(shù)據，用以對比分析。4條測線共8種探測結果，圖2～圖7為經過RES2 DINV軟件反演后得到的視電阻率剖面圖。RES2 DINV軟件是瑞典M．H．L（Loke博士開發(fā)的電法二維處理軟件，程序采用強制平滑的最小二乘法反演技術。從剖面圖中不難看出，兩種跑極方式得到的視電阻率剖面圖基本情況比較一致。橫坐標為探測距離(m)，縱坐標為層數(shù)概念表示的探測深度（層）。根據現(xiàn)場全站儀實測及分淮入沂整治工程地質勘查報告，堤頂至淮沐河水面高差約為7~8m，河水水面高程略高于地下水位�，F(xiàn)場實測視電阻率等值線云圖中，底部低阻變化區(qū)基本反映出了水位的變化影響范圍，實測資料真實可靠。由于測量方式的不同，Wenner裝置其垂直分辨率較高，水平分辨率相對較差；而Schlumberger裝置的水平分辨率相對較高，對地質體在水平方向上的變化反應靈敏。此外，Wenner跑極方式的抗干擾能力相對較差，現(xiàn)場樹根、樹枝等干擾體較多，綜合考慮，采用以Schlumberger裝置為主，Wenner裝置為輔的探測資料解釋。剖面圖都呈現(xiàn)出視電阻率上高下低的特點，這符合現(xiàn)場水文地質情況。堤頂土體相對干燥疏松，本應表現(xiàn)為相對高阻，但是由于探測期均屬于陰雨期，雨水人滲造成局部表層土體呈現(xiàn)相對低阻。尤其是干燥的空洞呈現(xiàn)高阻特征，在視電阻率等值線圖上表現(xiàn)為局部高阻閉合圈，而充滿水的空洞則呈現(xiàn)低阻特征，在視電阻率等值線圖中表現(xiàn)為局部低阻閉合圈。
淮陰閘-沭陽閘堤身堆土為
層重粉質砂壤土、雜粉質黏土及
層粉質黏土雜砂壤土，為當年開挖河道就近堆筑而成，故堤身堆土土質與堤基土質有一定的對應關系。堤身堆土為強透水性，堤基②、④-1層砂性土為中等透水性。依據《堤防工程設計規(guī)范》，土堤宜選用亞黏土，黏粒含量15%~30%，從現(xiàn)場勘測資料來看，堤身填土含有較多的砂壤土，土質松軟，孔隙較多，填筑不實，此類土本身不適于筑堤，這也是造成堤身滲透性較大的一個主要原因。從探測結果來看，也能直觀反應出堤身填土性質與密實程度的不均勻�，F(xiàn)場高密度電阻率法實測堤身土體視電阻率值正常范圍在60~100之間，對應視電阻率云圖中的黃色區(qū)域。自該區(qū)域向下，視電阻率逐漸降低，表明從堤身浸潤線變化至地下水位區(qū)。圖中紅色區(qū)域為視電阻率異常點，這些部位視電阻率（等值線閉合圈中心點最大）明顯大于探測范圍堤身土的正常視電阻率值，初步判斷為空洞或不密實區(qū)，這些不密實區(qū)都可能成為堤身的安全隱患，應予重視。圖中堤身淺部，尤其是堤頂部位，視電阻率呈現(xiàn)低阻，這是由于前期的雨水入滲造成的。探測試驗期間正值江蘇省數(shù)天陰雨天，雖然探測當天并未下雨，但是由于堤頂多砂壤土，土體松軟，堤身淺層土中飽有一定的水分。通過測試人員現(xiàn)場勘查，也證實了表層土體的濕潤性。圖4和圖5中出現(xiàn)的高阻閉合區(qū)，其視電阻率明顯高于其他斷面相同部位，表明此處可能存在異常，由于堤身兩側遍植楊樹，此處異常若非樹根影響，則可能是典型的欠密實區(qū)。東堤堤頂部分低阻區(qū)與深部低阻區(qū)有連通的趨勢，說明堤身土密實度較差．造成了雨水人滲較深，如東堤47 +880～47 +760測段100m測點處，這些堤段更容易形成滲漏通道，更有可能為汛期安全度汛留下安全隱患。圖8和圖9中淺部高阻閉合區(qū)相對較淺，甚至直通地面，試驗人員現(xiàn)場試驗時，發(fā)現(xiàn)該段堤頂分布有大量塊石、雜草，因此，此處高阻點可能為塊石影響所致。這與解釋結果也相當吻合。
在后期實施的分淮入沂整治工程中，采用垂直鋪塑法加固堤防工程的施工監(jiān)控過程中，在機械施工到東堤樁號46 +415、47 +800處，發(fā)現(xiàn)槽內失水嚴重，因該部位平臺頂部預先進行開挖泡水試驗，經檢查發(fā)現(xiàn)平臺以下2. 5m處存在孔洞，致使護壁泥漿流失嚴重，經不停補充泥漿補就，局部地面有塌陷或下沉現(xiàn)象。在東堤樁號47 +880～47 +760、46 +090左右時，明顯感覺牽引鋼絲繩受力較小，機械前進速度明顯加快，挖土刀出土減少，棄土區(qū)域較之別處有所減少，在機械行走過程中遏阻力減小，經仔細分析上層土體較為松散，有細微孔洞引起的土體減少。在機械垂直鋪膜施工前，對東堤樁號46 +840~ 46+ 850、西堤樁號42 +400~ 42 +450處進行開挖泡水濕陷，發(fā)現(xiàn)兩處存在地下孔底，當?shù)厝私榻B其為“狗獾洞”，在對兩處分別進行8h、4h的持續(xù)補水后，平臺有大范圍塌陷，路面出現(xiàn)大小不一的與大堤方向平行的裂縫，說明該段大堤本身存在孔洞等不密實的情況。施工監(jiān)控過程中出現(xiàn)的問
題也充分驗證了探測結果的真實可信程度。
3 結語
現(xiàn)場高密度電法實測堤身土體視電阻率值正常范圍在60~ 100之間，局部存在視電阻率異常點，這些部位視電阻率（等值線閉合圈中心點最大）明顯大于探測范圍堤身土的正常視電阻率值，初步判斷為空洞或不密實區(qū)。結合地質勘測資料及該次探測試驗的結果，認為堤防本身由不適于筑堤的高沙低黏土堆筑，工程建成時間又較為久遠，復雜的工程地質條件以及歷史原因使得堤防中存在大量欠密實土或孔洞，這些部位汛期容易形成滲漏通道，成為安全隱患。
實踐證明，高密度電法對土質壩體的探測實用、經濟、有效，值得參考。同時考慮到目前物探技術應用的壁壘，受到探測識別分辨率及體積效應造成的探測靈敏度的影響，使用者不能過分夸大其作用，以致于對探測結果做出不切實際的分析結論。研究人員應在充分了解掌握現(xiàn)場水文地質條件的基礎上對數(shù)據做出科學解釋。多種物探手段的聯(lián)合應用對比分析不失為一種好辦法。
